Эффективности применения этил-трет-бутилового эфира (ЭТБЭ) в производстве высокооктановых автобензинов

Написано Экономика нефтепереработки . Опубликовано в Публикации

Сборник ВНИИНефтехим 2009г.

Яковлев А.А., Мельниченко И.Ю., Баклаева Н.Б., Иванова А.С. ООО «Экономика переработки нефти»

Проблема загрязнения воздушного бассейна выхлопными газами вынудила правительства многих стран мира принять ряд законодательных мер по улучшению качества моторных топлив. В соответствии с техническим регламентом основные нефтепродукты, производимые российскими НПЗ, должны соответствовать требованиям экологического стандарта ЕВРО-3 до 31 декабря 2011 года, ЕВРО-4 до 31 декабря 2014 года, а с 1 января 2015 года вводится стандарт ЕВРО-5. Эти требования содержатся в постановление правительства РФ от 30 декабря 2008 года № 1076.

Принятие технического регламента с одной стороны должно послужить важным стимулом для модернизации российских НПЗ, а с другой – российское правительство должно предусмотреть ряд мер по созданию благоприятных экономических условий, способствующих выполнению нефтепереработчиками требований Технического регламента.

Перспективные требования к качеству автобензинов предусматривают снижение содержания серы с 1 января 2012 до уровня 50 ppm и с 2015 до уровня 10 ppm. Объемная доля бензола в автобензинах не должна превышать 1% об., а суммарных ароматических углеводородов не более 35% об.

В соответствии с техническим регламентом с 2012 г. предусматривается выработка автобензинов с МОЧ 85 и ИОЧ 95, содержание в автобензинах кислородсодержащих соединений, не более 2,7 % об.по кислороду.

На большинстве российских НПЗ базовым компонентом для получения высокооктановых бензинов является риформат. Доля бензола в риформате составляет от 3-6% об. и суммарная ароматика до 68% об.

Современные технологии позволяют снизить содержание бензола в автобензинах до требуемого уровня. Значительно труднее обеспечить снижение содержания суммарных ароматических углеводородов (не выше 35% об.) при достижении октанового числа бензина не ниже 95 пунктов (по ИМ). Проблема заключается в ограниченности ресурсов высокооктановых компонентов, не содержащих ароматических углеводородов. К ним относятся изомеризаты, алкилбензин, спирты и эфиры.

Классическим решением этой проблемы считается рост мощностей процесса каталитического крекинга, бензины которого характеризуются низким содержанием бензола и суммарных ароматических углеводородов. Кроме того, на базе углеводородных газов, образующихся в процессе каталитического крекинга, возможно производства алкилбензина, метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) или смеси эфиров.

Однако в последние годы на российских НПЗ для повышения глубины переработки нефти преобладает строительство установок гидрокрекинга с целью увеличения выработки высококачественных дизельных топлив и авиакеросинов. Что обусловлено более высокими темпами роста потребления этих нефтепродуктов. Наличие установки гидрокрекинга, в составе НПЗ усложняет проблему производства высокооктановых автобензинов. Так как тяжелый бензин гидрокрекинга должен дополнительно перерабатываться на установках каталитического риформинга, увеличивая ресурсы высокоароматизованного риформата. В полной мере это относится также к бензинам коксования и висбрекинга. По этой причине увеличение производства высокооктановых компонентов, не содержащих ароматических углеводородов для российских НПЗ представляется особенно актуальным. Важное значение в решении этой проблемы будет иметь организация производства высокооктановых кислородсодержащих соединений. В России до настоящего времени в качестве высокооктановой кислородсодержащей добавки применяется МТБЭ. Суммарная мощность российских предприятий по производству МТБЭ составляет 903 тыс.т/год. По данным за 2006 год на российских предприятиях выработано 879,3 тыс.т МТБЭ из них 292 было направлено на экспорт, главным образом в страны Прибалтики и Украину. Основными экспортерами МТБЭ является ОАО «Сибур-Холдинг» (61,9 %) и ОАО « Омский Каучук» ( 32,76 %), внутреннее потребление МТБЭ за этот период составило 587,3 тыс.т/год. Для сравнения в США потребление МТБЭ составляет 14 млн.т/год. В месте с тем, управлением по охране окружающей среды США с 6 мая 2006 года приостановлено требование использования МТБЭ в качестве кислородсодержащей добавки к бензину, а с 2010 года ожидается полный запрет на использование МТБЭ в США. Соответственно наметилось повышение спроса на этанол топливного назначения. Потребление этанола в США составляет до 4% от суммарного потребления автобензина. Рост спроса на этанол топливного назначения связан также с ростом цен на нефть.

К недостатком применения этанола в качестве компонента автобензина следует отнести высокое давление насыщенных паров, а также высокую растворимость в воде, что вызывает проблемы, связанные с обводнением топлива.

В Европе мощности по производству МТБЭ составляют 2,8 млн. тонн, однако, новые мощности не вводятся, а загрузка действующих снижается, что во многом связано с ростом использования этил-трет-бутилового эфира (ЭТБЭ). Мощности по производству ЭТБЭ достигли в 2006 году примерно 2,26 млн. тонн (для сравнения, 0,35 млн. тонн ЭТБЭ в 2000 году). Трет-амиловый эфир (ТАМЭ) менее широко используется в Европе. Мощности по его производству в Европе оцениваются в 0,5 млн. тонн (0,28 млн. тонн в 2000 году). В таблице 1 представлены данные по размещению и производительности установок по указанным оксигенатам .

Таблица 1. Мощности по производству МТБЭ, ЭТБЭ и ТАМЭ в Европе. [1]

Страна

МТБЭ

ЭТБЭ

ТАМЭ

количество тыс.т./год

Австрия

65

-

-

Бельгия

270

183

-

Болгария

82

-

-

Чехия

92

-

-

Финляндия

-

94

110

Франция

-

836

-

Германия

358

200

160

Греция

110

-

-

Венгрия

84

55

-

Италия

223

133

278

Литва

80

-

-

Голландия

842

138

-

Польша

-

120

-

Португалия

-

50

-

Румыния

220

-

-

Сербия

35

-

-

Словакия

-

52

-

Испания

-

422

-

Швеция

-

50

-

Великобритания

304

-

-

Белоруссия

41

-

-

Украина

24

-

-

ИТОГО по Европе:

2830

2333

548

Наибольшие мощности по производству МТБЭ сосредоточены в Голландии, а по производству ЭТБЭ – во Франции, Испании, Германии. Указанные страны практически полностью перешли на производство ЭТБЭ. ТАМЭ производят в трех странах – в Германии, Италии и Финляндии.

В последние годы в промышленно-развитых странах наблюдается тенденция к снижению потребления МТБЭ. Экологические исследования показали, что МТБЭ сильнодействующее ядовитое вещество (доза более 20 мг на литр считается смертельной) может вызывать рак почек и печени. Он быстро испаряется из открытых контейнеров и хорошо растворяется в воде. Попадая, в грунтовые воды при авариях или разливах бензина МТБЭ впоследствии попадает в водозаборные сооружения и питьевую воду. [2]

В отличии от МТБЭ при использовании ЭТБЭ не возникает проблем, связанных с обводнением, кроме того он имеет более высокую теплотворную способность и более низкое содержание кислорода. Исходя, из требования содержания кислорода в автобензине не более 2,7% предельное содержание ЭТБЭ может быть не более 17,22%. Для МТБЭ этот показатель составляет 14,84%. В настоящее время отсутствуют данные токсичности ЭТБЭ и его вредном экологическом воздействии на окружающую среду. ЭТБЭ не образует пероксидных соединений, что значительно повышает безопасность его хранения и использования. Ниже представлена характеристика кислородсодержащих соединений (Таблица 2).

Таблица 2. Качественные характеристики кислородсодержащих соединений. [3]

Характеристика

МТБЭ

ЭТБЭ

Этанол

Плотность, кг/м3

746

750

794

Температура кипения, ºС

55,3

72,8

78,3

Давление насыщенных паров, 105 Па

0,8

0,4

1,5

Теплота сгорания, низшая Кдж/л

26 260

26 910

21 285

Теплота испорения Кдж/кг

337

321

854

ИОЧ смеси (без ТЭС)

118

118

120

МОЧ

101

101

99

Чувствительность (ИОЧ-МОЧ)

17

17

21

Растворимость в воде,% мас. (при 20ºС)

4,5

0,1

100

Более высокая температура кипения ЭТБЭ 72,8% и более низкое давление насыщенных паров позволяет вовлекать при смешении его с автобензинами дополнительные ресурсы бутановых фракций. Таким образом, из представленных кислородсодержащих соединений по качественным характеристикам ЭТБЭ имеет несомненное преимущество. ЭТБЭ получают в аналогичных условиях и на том же оборудовании, что и метил–трет-бутиловый эфир. Синтез осуществляется из изобутилена и этилового спирта при температуре ниже 100°C и давлении 1-2МПа в условиях кислотного катализа.

В настоящее время сложилась уникальная ситуация, когда российские нефтепереработчики могут не повторять ошибку промышленно-развитых стран- не увеличивая производство МТБЭ приступить к вводу новых мощностей по производству ЭТБЭ. Для организации производства ЭТБЭ в России в качестве первого шага целесообразно отменить акцизы на топливный этанол, так как в противном случае автобензины будут облагаться двойным акцизным сбором: на этанол и автобензины

Федеральным законом от 16.05.2007 г. № 75-Ф3 №75-ФЗ с 1 января 2008 года установлены следующие налоговые ставки на спирт этиловый из всех видов сырья.

2008 год-25,15 руб./л.

2009 год-26,80 руб./л.

2010 год-28,40 руб./л.

При этом стоимость этилового спирта без НДС и акцизов составляет 17-19 руб. за литр. По данным на июль 2008 года розничная цена за 1 литр автобензина АИ-95 составляет 26,8 руб. Таким образом в расчете на 1 литр этиловый спирт (без налогов) дешевле на 9-10 рублей обычного бензина АИ-95.Стоимость этанола с налогами (НДС +акцизы) по данным на июль 2008 года составит 47,57 руб., что существенно выше розничной цены на нефтяной бензин. Такое положение практически исключает применение этанола в качестве компонента автобензина из-за отрицательной рентабельности. Для сравнения в США, например при использовании этанола в качестве топлива до 2010 года действует налоговая льгота, в размере 0,13 доллара на 1 литр этанола. [4]

Насколько успешно сможет Россия организовать конкурентоспособное на внутреннем и на внешнем рынке производство ЭТБЭ будет зависеть от стоимости исходного сырья. В условиях России основным сырьем для получения этанола служат зерновые культуры и картофель. При использовании современных технологий расход зерна на 1 т. этилового спирта составляет 2,7 -3,0 тонны. В 2008 год в России был получен рекордный урожай зерновых культур до 100 млн.тонн. Внутренняя цена на пшеницу осенью 2008 года составляла 6 000- 6 300 руб./т. По данным за 2008 год экспорт зерна составил около 15 млн.т зерна в год. В производстве МТБЭ в качестве изобутиленового сырья используют не чистый изобутилен, а фракцию С4 каталитического крекинга или пиролиза, в которой кроме изобутилена присутствуют другие углеводороды С4.

Таблица 3. Состав фракции С4. [5]

Наименование углеводородов (%масс.)

ББФ каталитического

крекинга

БДФ пиролиза

Пропилен

1,2

0,2

пропан

0,9

0,3

изобутилен

16,0

26,6

н-бутен

40,3

32,7

изобутан

32,3

3,0

н- бутан

7,8

3,0

дивинил

-

33,8

Углеводороды С5

1,5

0,4

Итого:

100

100

Селективность образования ЭТБЭ такова, что из смеси углеводородов в реакцию вступает только изобутилен. Непрореагировшие н-бутилены могут применяться в качестве нефтехимического сырья, а также в качестве сырья для производства алкилбензина

В России ресурсы изобутиленовых фракций ограниченны из-за недостаточной мощности установок каталитического крекинга и пиролиза, более доступным сырьем для получения изобутилена в условиях России является изобутановая фракция на базе которой в процессе дегидрирования может быть получен изобутилен. Технология дегидрирования изобутана широко применяется в отечественной промышленности в производстве синтетических каучуков.

Баланс производства и потребления изобутана в России за 2006 г.,тыс.т. [6]

Производство: Потребление:

- ГПЗ, НСУ – 97,1 Дегидрирование – 766,7

- НПЗ – 96,9 Пиролиз – 25,7

- ЦГФУ – 694,9 Экспорт — 84

Итого: 888,9 Прочее – 12,5

Итого: 888,9

Таким образом, свыше 86% вырабатываемого изобутана направляется на дегидрирование. В перспективе ресурсы изобутана в России будут увеличиваться за счет переработки попутных нефтяных газов и увеличение мощности установок гидрокрекинга в составе НПЗ. Представленные данные свидетельствуют, что Россия обладает достаточными сырьевыми ресурсами для организации крупнотоннажного производства ЭТБЭ. Прежде всего, речь может идти о перепрофилировании действующих установок синтеза МТБЭ на производство ЭТБЭ. В Перспективе наиболее эффективным представляется создание крупных биохимических комплексов, включающих всю производственную цепочку- производство сырья для получения топливного этанола, производство этанола и изобутиленовой фракции ( на основе изобутана или даже н-бутана) и непосредственно синтез ЭТБЭ. По мнению Д.Х. Галлямовой подобные структуры, построенные по принципу вертикальной интеграции один из эффективных способов повышения конкурентоспособности в условиях глобализации.[7] Проблема заключается в том, что в настоящее время в России отсутствует спрос на ЭТБЭ из-за его высокой стоимости по сравнению с МТБЭ и в отсутствие законодательных актов, регулирующих оборот этилового спирта для производства ЭТБЭ (Таблица 4).

Таблица 4. Технико-экономические показатели производства МТБЭ и ЭТБЭ

Наименование

Ед.изм.

МТБЭ

ЭТБЭ

Расход сырья на 1т продукта:

метанол

т

0,38

изобутилен

т

0,67

0,43

этанол

т

0,62

Цена этил. спирта

руб./т

21 400

Цена метанол

руб./т

13 000

Цена изобутана (сырье для получения изобутилена)

руб./т

19 942

19 942

Себестоимость

руб./т

19 222,8

27 059,7

Цена (норма прибыли 30%)

руб./т

24 989,6

35 177,7

Расчеты показывают, что себестоимость производства ЭТБЭ при существующих ценах на исходное сырье на 40% выше, чем у МТБЭ. В сложившихся условиях целесообразность организации производства ЭТБЭ в России будет определяться эффективностью его экспорта на внешние рынки, где его стоимость на 200-300 $ выше чем у МТБЭ.

Можно дискутировать о степени токсичности МТБЭ и целесообразности запрета на его использование в России, но уже сейчас становится очевидным- МТБЭ в перспективе постигнет участь тетра-этил-свинца (ТЭС) от которого весь цивилизованный мир отказывается, несмотря на его эффективность в производстве высокооктановых автобензинов. Запрет на использование МТБЭ в промышленно-развитых странах негативным образом отразится на его экспорте из России. На внешних рынках он может быть востребован только как сырье для получения изобутилена и метанола. Следует отметить, что в России за последние 5 лет спрос на высокооктановые автобензины растет на 9 % в год, а после 2013 года, в соответствии с Техническим регламентом бензин АИ-95 должен стать основным. Это потребует значительного объема инвестиций в реконструкцию большинства российских НПЗ, а также определения оптимального направления реконструкции с точки зрения стоимости и сроков. Ниже представлена оценка сравнительной эффективности производства и применения МТБЭ и ЭТБЭ на примере нефтеперерабатывающего завода топливного профиля, мощностью по перерабатываемой нефти 7,4 млн.т/год.

Для повышения качества автобензинов в составе завода эксплуатируется установка изомеризации и каталитического риформинга. Повышение глубины переработки нефти предполагается, осуществить за счет ввода в эксплуатацию установок гидрокрекинга вакуумного газойля и замедленного коксования гудрона. Тяжелый бензин гидрокрекинга и бензин коксования планируется перерабатывать на установке каталитического риформинга. Таким образом, на указанном предприятии ресурсы высокоароматизованного риформата (содержание ароматики до 65%) будут составлять 65,9 % бензинового фонда. С целью снижения содержания бензола в товарном бензине легкий риформат предполагается направлять на установку изомеризации. Расчеты показывают, что с применением процессов изомеризации и каталитического риформинга в условиях данного предприятия, суммарный бензин будет иметь октановое число 93 ИОЧ, а суммарное содержание ароматических углеводородов 38,58 %(базовый вариант). Повышение качества автобензина до уровня Евро-4 возможно за счет применения МТБЭ или ЭТБЭ. (Таблица 5).

Таблица 5. Качество суммарного автобензина до и после применения высокооктановых добавок.

Наименование

Себестоимость компонентов руб./т*

ИОЧ

Ароматика % масс.

Бензол,% масс.

Состав автобензинов,тыс.т

базовый вариант

МТБЭ

ЭТБЭ

Риформат тяжелый

6481,91

97,3

73,00

0,13

1023,15

1023,15

1023,15

Нормальный бутан

5881,77

94

0,00

0,00

104,72

104,72

104,72

Изопентан

6669,56

91

0,00

0,00

96,50

96,50

96,50

Изомеризат

6669,56

87

0,00

0,00

673,70

673,70

673,70

МТБЭ

19222,75

117

0,00

0,00

0,00

200,00

0,00

ЭТБЭ

27059,74

117

0,00

0,00

0,00

0,00

200,00

Фракция С7+

6669,56

78

0,00

0,00

37,78

37,78

37,78

Итого, тыс. тонн

1935,84

2135,84

2135,84

ИОЧ суммарного бензина

93,00

95,00

95,00

Содержание ароматики

38,58

35,00

35,00

Содержание бензола

0,07

0,06

0,06

Себестоимость суммарного бензина руб./т

Тоже в %

6527,8

100

7716,6

118,2

8450,4

129,5

* — Расчет выполнен при стоимости нефти 5 670 руб/т без НДС.

Применение кислородсодержащих добавок приводит к росту стоимости топлива. Так, при добавке МТБЭ и ЭТБЭ в количестве 9,36 %масс. Себестоимость автобензина увеличивается соответственно на 18,2 и 29,5 %. Применение ЭТБЭ с точки зрения экологии предпочтительнее, однако, это повлечет увеличение себестоимости товарного автобензина и соответственно повышение его розничной цены. Чтобы исключить рост стоимости автобензинов при повышении его качества правительству России необходимо проработать возможные варианты снижения налоговой нагрузки, в противном случае это обернется новым витком инфляции для экономики страны.

Литература

1. ( EFOA) The European Fuel Oxygenates Association.

2. Lethbridge G. MTBE and groundwater contamination in the UK// Petroleum Review

2000. — 54, — № 646. — Р. 50-52.

3. Научно-информационный справочник; Переработка нефти и нефтехимия за рубежом 1996 г.- № 1-С.15.

4. Научно-информационный справочник; Переработка нефти и нефтехимия за рубежом 2007 г.- № 12-С.6.

5. Справочникнефтехимика 1978г. — «ХИМИЯ».

6. ОАО «ВНИУС» 2007г.- Казань.

7. Д.Х . Галлямова «Управление концентрации производстваи структурными сдвигами в глобальной экономики» -2008г — издательство «Санкт-Петербургской академии управления и экономики».